Extended X-ray absorption fine structure at the oxygen K-edge of liquid water - insights into the second coordination shell via X-ray Raman scattering

Water is one of the most fascinating, yet controversial, substances that has ever been studied. Numerous experimental and theoretical investigations have been carried out on the local structure of water, but there are still a lot of controversies and discussions regarding the molecules' distribution in liquid water. Here, the analysis of liquid water at ambient temperature and pressure by means of an X-ray Raman Scattering based Extended X-ray Absorption Fine Structure experiment is reported. The measurement was performed at beamline ID20 of the ESRF. The goal of the thesis was to derive relevant and robust information on the local arrangement of liquid water and to prove the relevance the second coordination shell of liquid water in developing suitable structural models. The experimental data were interpreted with ab initio molecular dynamic calculations and a fit of the experimental data using models obtained by multiple scattering calculations was performed. The study lead to new insights in the local structure of liquid water at ambient conditions. In particular values for the radius and coordination number of the first and second coordination shells were found to be R_1 = 2.732 Å and N_1 = 4.7, R_2 = 4.322 Å and N_2 = 12.0. Moreover, the refinement of a simulated the oxygen-oxygen radial distribution function (RDF) is presented.

L'acqua è senza dubbio una delle più affascinanti, ma allo stesso tempo controverse, sostanze che siano mai state studiate. Numerosi esperimenti sono stati svolti col fine di indagare la struttura locale dell'acqua, ma esistono ancora molte controversie e discussioni riguardo la distribuzione delle molecole in acqua. Si riporta qui l'analisi sull'acqua nello stato liquido a condizioni ambiente tramite esperimenti X-ray Raman Scattering based Extended X-ray Absorption Fine Structure. La misura è stata condotta alla beamline ID20 dell'ESRF. L'obiettivo della tesi consiste nel derivare informazioni rilevanti e attendibili riguardo la disposizione locale a livello molecolare in acqua allo stato liquido e nel dimostrare l'importanza della seconda coordination shell per sviluppare consoni modelli strutturali. I dati sperimentali sono stati interpretati sulla base di calcoli ab initio molecular dynamics e si è svolto un fitting con modelli ottenuti da calcoli di multiplo scattering. Lo studio porta nuove conoscenze sulla struttura locale dell'acqua nello stato liquido a condizioni standard. In particolare sono stati derivati valori per il raggio e il numero di coordinazione sia della prima che della seconda coordination shell: rispettivamente, R_1 = 2.732 Å e N_1 = 4.7$, R_2 = 4.322 Å e N_2 = 12.0. Inoltre, si presenta il perfezionamanto della cosiddetta oxygen-oxygen radial distribution function (RDF).